高速铁路路桥过渡段路基动响应特性研究.doc

高速铁路路桥过渡段路基动响应特性研究 振动与冲击 第25卷第3期 JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK Vol.25No.32006 陈雪华律文田王永和 (中南大学土木建筑学院,长沙410075) 通过现场实测,对秦沈客运专线动力分散型机车在某路桥过渡段高速行车条件下的动响应规律进行了研摘要究。分析了沿路桥过渡段线路纵向的动应力分布规律、列车速度和动应力的关系,以及动应力沿路基深度方向的变化规 律等。分析表明:沿铁路线纵向随车速的增大,动应力有不同程度的增加;动应力随路基深度的增加衰减很快,并且随着深度的增加,动应力值和静态应力值越来越接近;过渡段路基速度动力系数小于0.3,用速度动力系数能够直观地表示速度对路基的动力作用。 关键词:高速铁路,路桥过渡段,动响应,路基中图分类号:U213.1 文献标识码:A 0引言 随着铁路向高速重载方向发展,作为轨下基础的 路基发挥出越来越重要的作用。列车速度的提高对铁路路基的要求也越来越高。铁路路基基床承受列车和轨道荷载,必须具有足够的强度和稳定性,若基床出现下沉病害,将影响线路质量和行车速度,1 桥过渡段处尤为突出长度的过渡段,变形,保证列车安全舒适地运行。目前,我国的路基设计方法仍以静态或准静态为主;显然随着高速铁路的发展,这一设计方法已经不合时宜。为了研究列车在高速运行情况下,路基动应力的变化规律,日本 23 曾对路基动应力与下沉进行了试验,刘林芽等利用有限元法,通过建立车辆轨道耦合系统竖向振动分析模型,对列车经过路桥过渡段时轨道结构的动力学 4 性能进行评价。杨灿文等研究认为,路基面动应力随车速(低于140km/h)的提高有增加趋势,速度的影 5 响随深度增人而减小;曹新文等通过模型试验得出,路基动应力与轴重成正比;随运行速度增加,路基动应 力增大;李世军等通过引入波传导单元和完全的能量传递边界,用有限元法分析了铁路路基在高速列车 作用下的动力反应;罗强等8,12,13 。在秦沈客运专,在路基中分层埋没了土压力盒和加速度传感器,利用动态测试仪器进行测试分析。本文主要研究了路桥过渡段路基动应力的变化规律。 6 1试验概况 111路桥过渡段形式 路基部分采用倒梯形过渡形式,利用级配碎石分层填筑并增加土工格栅加强台后填筑质量,以使桥台与路基之间的刚度平缓过渡。桥台与路基过渡段的基床表层下采用土工格栅填筑,该过渡段形式如图1所示,图中H=4.2m。路基基底至基床表层下填筑级配碎石,路基横断面两侧填筑A、B组粗粒土,期间分层铺设土工格栅,土工格栅间距0.3m,每层与桥台尾相接处,包裹反折5.0m压铺于上层填土之上 。 图1过渡段形式 112测试元件的埋设及测试系统 基金项目:铁道部科技研究开发计划项目(2000G047-C)收稿日期:2005-03-25修改稿收到日期:2005-05-09第一作者陈雪华男,博士生,1966年2月生 为研究过渡段线路纵向和深度方向在基床中的动 响应变化规律, 故在过渡段路基的线路纵向和垂直横 96振 动与冲击 2006年第25卷 剖面方向都布设传感器。在过渡段线路纵向的下行线上,沿基床表层顶面的水平方向,自桥台背起,按间距为2.4m依次布设了8个土压力盒和8个加速度传感器,其中土压力盒距轨枕端面30cm,加速度传感器距轨枕端面80cm(如图2)。另外在垂直剖面方向上距桥台背3m、10m和15m处共埋设10个土压力盒(如图3)。其中距离桥台背9.6m和19.2m两处的土压力盒在测试之前已经损坏 。 2试验数据分析 211沿铁路线纵向动应力分布规律图4(a)表示试验列车在不同车速下纵向上各测点最大动应力变化曲线,图4(b)给出的是纵向上各测点 图2 沿线路纵向元件的埋设 最大动应力与行车速度的关系。影响路基动应力的因 素很多,如机车类型、行车速度、轨道刚度、基础、路基结构和周围环境等都会对动应力产生不同程度的影9 响。但本次试验中,由于试验列车的轴重、线路与路基状态等方面影响因素保持不变,行车速度是影响路基动应力变化的主要因素。从图4(a)可以看出,在纵向上动应力随车速的增加呈现不同幅度的增大,并且都大于车速5km/h下的准静态应力值。在同一车速下,过渡段基床面动应力随距桥台背距离增大而呈波动下降趋势。当车速小于200km/h的情况下,动应力曲线形状是相同的,呈现出波动曲线形状,距离桥台背7.2m和14.4m两处,14.25kPa在距桥台背16.8m处.61kPa。当列车时速 /h时 ,其值 图3断面图(距桥台背10m处) 土压力盒为BY-1型双油腔式土压力传感器,加 速度传感器采用ZFCJ01型固态加速度传感器。测试时将土压力盒(或加速度传感器)通过DH5935动态应变仪(或INV306G智能数据自动采集处理分析仪)联接到计算机上。列车通过时,计算机可以同时记录下测试过程中所有测试元件的电信号,并将其转换成各个测点的动土压力(或加速度)波形。该动态测试系统采用人机交互界而,实用性强,并且可以长时间连续采集数据。 试验列车采用“先锋号”动力分散型电力动车组,该车组由2个动力单元组成,每个动力单元由2辆动力车和1辆拖车组成“2M+IT”,全列编组6辆车,即“Mc+Tp+Mi+Tp+Mc”,最大轴重14.5t。以车速5km/h的动应力值作为静态标定值,然后车速从160km/h增至290km/h,测试了不同速度下两基床表层的动应力与加速度。 (a) (b) 图4铁路线纵向动应力变化曲线 第3期 陈雪华等: 分别为20.62kPa、16.12kPa,其位置是在距桥台背4.8m、14.4m处;在距桥台背16.8m处,动应力曲线达到极小值,为7.57kPa。从上面的分析也可以看出,高速情况下动应力最大值的位置和低速时还是有差别的。 从图4(b)可以看出,在车速小于200km/h时,纵向上六个测点动应力都呈现随车速的提高而增大趋势,车速在200km/h220km/h的范围内,各测点的动应力值达到最大值,当车速大于220km/h,各测点动应力值基本保持不变或减小。这里称达到峰值时的车速为临界车速,所谓临界车速就是使体系达到共振时的车速。本文测试与文献10中基面竖向动应力与车速关系曲线所反映的规律是一致的。212路基动应力随路基深度的变化图5描述了深度方向上各测点的最大动应力随深度的变化特征。由于阻尼作用,列车荷载以动力波形式向深处传播要消耗能量,因此动应力随深度的增加而衰减,实测结果再次证实了此结论。在任何行车速度下,随着深度的增加动应力都近似呈直线衰减趋势,呈“倒三角形”分布。基床表层顶面动应力一般为3545kPa,而在基床底层底面处动应力一般在18kPa之间,路基下2.5m的1/3左右。当列车通过时,比准静态应力值大,动应力值逐渐接近准静态应力值 。 的动力作用;只考虑速度对动力作用的影响时,可取 -1 为1,并定义A为速度动力系数%,(km/h),Pd为路基动应力(kPa),Ps为路基静应力(kPa),V为时速(km/h),则有: A=100(Pd-Ps)/(Ps?V) 引入速度动力系数A表示与速度相关的动力冲击系数,其物理意义上可理解为单位速度所激起的动应力增量,当A为正值时,表示速度所产生的动力作用增大;当A为负值时,表示速度所产生的动力作用减小,因此它能更直观地表示速度对动力作用影响程度。21311过渡段基床面速度动力系数分析在过渡段基床面水平方向上,行车速度对速度动力系数的影响有如下特征:速度动力系数A的波动范围在00.28之间,表示速度增加引起了动应力增加。如图6(a)所示,在4.8m、14.4m测点处速度动力系数A较大,也仅为0.150.28,而在其它四个测点速度动力系数A较小,0.15。速度动力系数,V200km/h时双驼峰”形状;当行车/时,但速度动力。A随着行车速度的增大,表现出先增大然后呈小幅度波动变化的趋势 。 图6铁路线纵向动力系数变化曲线 21312过渡段垂向上速度动力系数分析 在距桥台背10m处垂直剖面的深度方向上,各测 图5动应力随路基深度的变化 213速度动力系数分析 列车在直线区间轨道上运行,因轮轨之间的动力 效应,导致作用在钢轨上的动轮载比静轮载大,其增量随行车速度的增加而增大。设Pd为动轮重,P0为静轮重,为速度动力系数(%),为动力影响系数,则轮轨 11 动效应公式: (1+?V)Pd=P0? 因与机车车辆和轨馗的平顺性、轨道结构类型及货物偏载等有关。把轮轨效应公式引入到计算路基 点速度动力系数A随行车速度的提高表现出如下规律:速度动力系数A的波动范围在0.060.25之间,说明随着速度增加,动应力增量为正,动应力在增大。如图7所示,距轨枕底正下方60cm、120cm、250cm测点的速度动力系数A变化范围分别在0.110.25、0.060.24、0.070.15。测点的速度动力系数A随着行车速度提高呈现出两种变化趋势。当车速等于160km/h和180km/h时,速度动力系数A在120cm测 点处比60cm、250cm测点处大;当车速V200km/h时,速度动力系数A沿深度方向呈减小的总趋势。同一测点速度动力系数随车速提高呈现出先增大然后 98振动与冲击 2006年第25卷 参考文献 1王炳龙,周文杰,周顺华等.土工固格网改善基床土的动应力分析J.铁道学报,1998,20(5):103108 2Sunaga,Makoto.VibrationbehaviorofroadbedonsoftgroundsundertrainloadJ.QuartlyReportofRTRI,1990,(31):2935 3刘林芽,雷晓燕,刘晓燕.既有线路桥过渡段的设计与动力学性能评价J.铁道标准设计,2004,(1):910 4杨灿文,龚亚丽.列车通过时路基的动应力和振动J.土木工程学报,1993,9(2):4957 5曹新文,蔡英.铁路路基动态特性的模型试验研究J.西南交通大学学报,1996,31(1):3641 6李军世,李克钏.高速铁路路基动力反应的有限元分析J.铁道学报,1995,17(1):6675 7罗强,蔡英,翟婉明.高递铁路路桥过渡段的动力学性能分析J.工程力学,1999,16(5):6570 8律文田,王永和.秦沈客运专线路桥过渡段路基动应力测试分析J.岩石力学与工程学报,2004,23(3):500504 9王炳龙,余绍锋,周顺华等.提速状态下路基动应力测试分析J.铁道学报,2000,22(:7981 10梁波,英J.88瀛.成都:西南交通大学出版社,2002波,李亮.秦沈客运专线路堑段基床结构动.振动与冲击,2005,24(2):303213王祥秋,杨林德,高文华.铁路隧道提速列车振动测试与荷载模拟.振动与冲击,2005,24(3):99102 迅速减小的趋势 。 图7动力系数随路基深度的变化 3结论 通过对秦沈客运专线某试验工点过渡段基床纵向 和垂向上动应力特性的测试和分析,得出如下结论:动应力受行车速度影响显著,沿铁路线纵向随车速的增大,动应力有不同程度的增加,但动应力的增加存在一个临界速度,超过临界速度后,基床动应力不再继续增加,甚至有所减小:动应力随路基深度的增加衰减很快,并且随着深度的增加,越来越接近;对于无缝线路,系数A小于0.3,(上接) 知道,计入噪声影响后,前6阶MIF分量对应的瞬时频率在盒段损伤前后仍发生了明显的变化。由表2可以看出,计入噪声影响后,在盒段损伤前后,除了第二阶瞬时频率变化量发生了一些变化外,其余的各阶瞬时频率几乎没有受到噪声的什么影响,而且计入噪声影响后,第二 的变化,当计入噪声影响后,瞬时频率在结构损伤前后仍发生了明显的变化,表明所提出的指标量V对微小损伤的敏感性较好,并具有一定的抗噪声干扰能力。这为进一步研究如何检测结构损伤大小、位置与本文所提指标量之间的关系,提供了一种可行的方法。 参考文献 1NordenE.Huang,ZhengShen,etal.TheEmpiricalModeDe2compositionandTheHilbertSpectrumforNonlinearandNon2Sta2tionaryTimeSeriesAnalysis.ProceedingsofRoyalSocietyLon2don.A454,1998,903995 2罗奇峰,石春香,Hilbert2Huang变换理论及其计算中的问题.同济大学学报,2003,31(6) 3HuangDaji,ZhaoJinping,etal.PracticalimplementationofHil2bert2HuangTransformalgorithm.2003,22(1):114 ActaOceanologicaSinica, 阶瞬时频率变换量的变化值相对于损伤对瞬时频率变化量的影响要小得多,由此我们知道选择瞬时频率变化最大量作为损伤特征参数具有一定的抗噪声干扰能力。 表2各阶IMF分量对应的瞬时频率变化量最大值(Hz) IMF分量 1 2 3 4 5 6 瞬时频率变化量最大值 3.1824187.0117.97725.995145.9298.236 计入噪声影响后瞬时 3.1828201.1817.97925.995145.9198.268 频率变化量最大值 计入噪声影响 1.26e-27.581.11e-2 前后变化量(%) -6.85e-3.326e-2 6结论 以飞机机翼中的主承力部件盒段为研究对象,采 用HHT方法,提取了同损伤相联系的特征量。通过算例表明,结构原始响应信号经过EMD分解得到的各阶MF分量对应的瞬时频率在结构损伤前后发生了明显I 4邓拥军,王伟,钱成春等.EMD方法及Hilbert变换中边界 问题的处理.科学通报,2001,46(3) 5韩海明,沈涛虹,宋汉文.工况模态分析的EMD方法.振动与冲击,2002,21(4):6971 6杨宇,于德介,程军圣.基于EMD与神经网络的滚动轴承故障诊断方法.振动与冲击,2005,24(1):8588 7程军圣,于德介,杨宇.Hilbert2Huang变换端点效应问题的探讨.振动与冲击,2005,24(6):4042 Vol.25No.32006 JOURNALOFVIBRATIONANDS HOCK209 Keywords:civilengineering,pile2soil2structureinterction,wind2inducedvibration,accelerationresponse,com2fortablelevel STUDYONTHEDYNAMICRESPONSEOFHIGHSPEEDRAILWAY BRIDGE2SUBGRADETRANSITIONSECTION ChenXuehuaLüWentianWangYonghe (CivilEngineeringandArchitectureInstitute,CentralSouthUniversity,Changsha410075) AbstractBasedonthefieldtest,thedynamicresponseofaroadbed2bridgetransitionsectiononwhichadisperseimpetuslocomotivewithhighspeedisrunningarestudiedinthispaper.Thelongitudinaldistributiveregularitiesofthedy2namicstressoftheroadbed2bridgetransitionsection,relationshipsbetweenthespeedofthetrainandthedynamicstress,andchangesthedynamicstresswiththedepthofthesubgradeareanalyzed.Theanalysisindicatesthatthelongitudingaldynamicstressgrowsinvaryingdegreeswiththetrainspeedincreased;Thedynamicstressaffenuatesfastwithincreasingthedepthofthesubgrade;withincreaseinthedepth,thedynamicstressisclosertothestaticstress.Thedynamiccoeffi2cientofthetrainspeedforthebridge2subgradetransitionsectionissmallerthan0.3,theiccoefficientofthetrainspeedcanbeusedtoindicateintuitivelythedynamicactionofthetrainon. Keywords:highspeedrailway,bridge2subgradetransitirSTUDYONDAM2LIKESTRUCTURESBY RREGRESSION LiuLongMengGuang (StateKeyLab.ofVibration,ShockandNoise,ShanghaiJiaoTongUniv,Shanghai200240) AbstractTheSVM(SupportVectorMachine)isamachinelearningalgorithmbasedonstatisticallearningtheory,anditisalsoaclassofregressionmethodwiththegoodgeneraliztionability.Thispaperintroducesthesupportvectorre2gression,whichisappliedtothestructuredamagemonitoring.DamagefeaturesformedbyvibrationmodalfrequenciesareusedascharacteristicparameterstotraintheSVMtorealizelocatingthedamageanditslevelidentifing.TheSVMisusedtoverifythesimulationforthedamageidentificationofacantileverbeamandtheresultsshowthattheSVMisveryappli2cabletothedamagedianosisofstructures. Keywords:SupportVectoRegression,damagediagnosis,modalfrequencies DYNAMICCHARACTERISTICSANALYSIS FORSTOCHASTICTRUSSBASEDONFULL2PROBABILITY LuoWeitingChenJianjunHuTaibinLiuDeping (SchoolofElectronic&MechanicalEngineering,XidianUniversity,Xian710071) AbstractBasedonfull2probability,anewsolvingmethodforprobabilitydensityofnaturalfrequencyofastochastictrussisproposed.Instudyofthetrussstructuraldynamiccharacteristicsanalysis,randomnessofthestructuralphysicalparametersandgeomtriconesareallconsidered.ThefiniteelementmodelofthestochastictrussisbuiltandtherandomfunctionsofitsnaturalfrequenciesareobtainedbyuseoftheRayleighquotient.Employingprobabilisticdistributionfunc2tionexpressionfortherandomfunctions,throughaseriesofmathematicalprocessingincludingdeterminationoflimitsof